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Radiokarbonmethode ArtikelDie Radiokarbonmethode oder C-14-Methode ist eine insbesondere in der Archäologie und Archäobotanik angewendete Methode zur Bestimmung des Alters von organischem Material, das von unserer Erde stammt.
Sie basiert auf dem Zerfall des radioaktiven Kohlenstoff-Isotops 14C. Mit dieser Methode können Alter bis etwa 50 Tausend Jahre bestimmt werden. 1946 wurde diese Methode von Willard Frank Libby entwickelt.== Physikalische Grundlagen ==
Die drei Kohlenstoff-Isotope 12C, 13C und 14C kommen natürlicherweise in der Luft anteilig am Gesamtkohlenstoffgehalt zu etwa 98,89%, 1,11 Prozent und 0,0000000001 Prozent vor. Auf einen 14C-Kern kommen so statistisch 1012 12C-Kerne.
Während 12C und 13C stabil sind, zerfällt 14C mit einer Halbwertszeit von 5730 Jahren durch β--Zerfall zu 14N-Kernen. Gleichzeitig bilden sich in den oberen Schichten der Erdatmosphäre neue 14C-Kerne. Wenn die kosmische Strahlung auf Atome der Atmosphäre trifft, werden Neutronen freigesetzt. Trifft ein solches den Kern eines Stickstoff-Isotops 14N, so erfolgt eine Kernreaktion, in der dieses Neutron eingefangen und dafür ein Proton abgespalten wird. Dadurch entsteht aus dem 14N-Kern ein 14C-Kern. Die Neubildung der 14C-Kerne und deren Zerfall war bis zu den ersten oberirdischen Atomwaffentests gleich groß. Die Konzentration der 14C-Kerne in der Atmosphäre war also konstant.
Vor allem durch die Photosynthese der Pflanzen gelangt Kohlenstoff in die Biosphäre. Da Lebewesen bei ihrem Stoffwechsel ständig Kohlenstoff mit der Atmosphäre austauschen, stellt sich in lebenden Organismen dasselbe Verteilungsverhältnis der drei Kohlenstoff-Isotope ein, wie es in der Atmosphäre vorliegt. Auch nicht-organische Stoffe, beispielsweise erschmolzene Metalle oder mit anderen thermischen Verfahren gewonnene Werkstoffe, weisen einen bezeichnenswerten Kohlenstoff-Anteil auf.
Wird Kohlenstoff aus diesem Kreislauf herausgenommen (das heißt: wird er fossil), dann ändert sich das Verhältnis zwischen 14C und 12C, weil die zerfallenden 14C-Kerne nicht durch neue ersetzt werden und es gilt das Zerfallsgesetz:
Der hierfür entscheidende Zeitpunkt ist das Ende des Stoffaustauschs mit der Atmosphäre, also der Tod des Lebewesens. So ist das Verhältnis zwischen 14C und 12C eines organischen Materials ein Maß für die Zeit, die seit dem Tod eines Lebewesens - beispielsweise dem Fällen eines Baums und Verwendung dessen Holzes - vergangen ist. Mithin ist es ein Maß für das Alter des Materials.
Die Radiokarbonmethode ist somit die Messung des Verhältnisses der Mengen der Kohlenstoff-Isotope 14C zu 12C einer Probe sowie eines Standards, der das Verhältnis zu Beginn des Alterungsprozesses repräsentiert. Der 14C-Gehalt einer Probe kann entweder durch Zählung der zerfallenden 14C-Kerne in dem Zählrohr, in dem Flüssigkeits-Szintillations-Spektrometer oder durch Zählung der noch vorhandenen 14C-Kerne mit der Beschleuniger-Massenspektrometrie bestimmt werden. Letztere Methode benötigt weniger Material und Messzeit als die ersten beiden, ist dafür aber aufwändiger und teurer.
Radiocarbon-Jahre entprechen jedoch nicht den Kalenderjahren (tropischen Jahren), da die Produktion von 14C-Isotopen in dem Verlauf der erdgeschichtlichen Zeiten langfristigen und auch kurzfristigen Schwankungen unterworfen ist. 11 Tausend Radiocarbon-Jahre entsprechen beispielsweise 13 Tausend tropischen Jahren.
Daher gibt es eine Eichkurve (Kalibrationskurve (http://www.calpal.de/calpal/manual/calibration_curves.htm)), mit deren Hilfe das aus dem 14C-Gehalt berechnete Radiokarbonalter, welches sich unter der Annahme einer konstanten 14C Entstehungsrate ergibt, in ein Kalenderalter umgerechnet werden kann.
Diese Eichkurve wird mittels anderer Datierungsmethoden (beispielsweise Baumringe, Dendrochronologie) ermittelt. Bei einem Radiokarbon-Alter ist es daher wichtig zu wissen, ob es sich um das radiologische oder das korrigierte "geeichte" Alter handelt. Das konventionelle 14C-Alter wird in B.P. (before present, Jahre vor 1950), das kalibrierte Kalenderalter in cal BP oder als Datum cal AD / cal BC nach christlicher Zeitrechnung angegeben, wobei die Abkürzungen AD für Anno Domini und BC für Before Christ stehen.
Bild nicht gefunden Radiokarbon-Kalibrierkurve Die Grafik zeigt die Abhängigkeit zwischen Radiokarbonalter und dem Dendro-Alter - durch Dendrochronologie bestimmtes Alter - für die vergangenen sieben Jahrtausende nach der derzeit gültigen internationalen Kalibrierkurve. Diese wurde mit dem Programm cal25 des Radiokohlenstofflabors in Groningen (Niederlande) erstellt.
Eine weitere Korrektur kann notwendig werden, wenn die gemessene Probe durch einen Stoff mit einem anderen Radiokarbonalter verunreinigt wurde und diese nicht durch die Reinigungsprozeduren bei der Probenvorbereitung vollständig beseitigt werden konnte. Je nach Umfang der Verunreinigung liegt dann das gemessene Radiokarbonalter zwischen dem Alter der Probe und dem Radiokarbonalter des verunreinigenden Stoffs. Ist der Umfang der Kontamination bekannt, gilt für die Verschiebung des gemessenen Radiokarbonalters zu dem wirklichen Alter der Probe folgende Formel:
v,tv,tP sind dabei die Verunreinigung in %, das Radiokarbonalter der Verunreinigung beziehungsweise das Alter der Probe.
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Die Durchführung erfordert neben der Anwendung der Physik auch zahlreiche Schritte mit Hilfe der angewandten Chemie, um die Probe mit einem Massenspektrometer behandeln zu können. Die folgende Darstellung des Behandlungsvorgangs ist sehr stark vereinfacht.
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Chemische Vorbereitungen der Probe | |
Das zu behandelnde organische Material muss zu reinem Kohlenstoff reduziert werden, um eine Bestimmung durchführen zu können. Viele andere Verbindungen müssen also aus der Probe entfernt werden.
Dazu ist vor der eigentlichen Behandlung eine Vielzahl von chemischen Schritten notwendig. In dem folgenden wird dies am Beispiel von Holz dargestellt.
Zu erst wird die Probe mit 1%iger Salzsäure (chem. Symbol: HCl), anschließend mit Natronlauge (NaOH), dann wieder mit Salzsäure gereinigt. Dies geschieht jeweils vier Stunden lang bei 60°C.
Das übriggebliebene reine Zellulosematerial wird mit Kupferoxid und Silber (Ag) in einer evakuierten Quartzampulle eingeschlossen und in einem Ofen erhitzt. Dabei verbrennen die organischen Bestandteile, so dass ca. CO2, Stickstoffoxid, Schwefeloxid und Halogenverbindungen verbleiben. Das hinzugegebene Silber bindet das Schwefeloxid und die Halogenverbindungen.
Das verbleibende CO2 wird mit Eisen (Fe) und Wasserstoff (H2) zu reinem Graphit, der ca. aus Kohlenstoff besteht, reduziert.
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Der gewonnene Graphit wird in einen kleinen Tragbehälter gepresst und in dem Massenspektrometer mit Cäsiumatomen beschossen. Dadurch wird ein Strahl negativ geladener Kohlenstoffionen gebildet, die durch ein Magnetfeld abgelenkt werden. Die leichten C12-Ionen werden stärker abgelenkt als die C14-Ionen.
Durch den Detektor des Massenspektrometers wird die Anzahl der schweren und leichten Ionen gemessen.
Der gesamte Ablauf dauert etwa 5 Wochen.
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Probleme bei der Altersbestimmung | |
Um die Radiokarbonmethode zu eichen, wurde in der Anfangszeit die Dendrochronologie herangezogen, die zu diesem Zeitpunkt selbst noch in einem relativ frühen Entwicklungszustand steckte und selbst nicht geeicht war.
Moderne Wissenschaftler, die sich auf die Chronologie (Lehre der Zeitrechnung) konzentrieren, überlegen darum, ob es sowohl bei der einen als auch bei der anderen Methode zu Unstimmigkeiten gekommen sein kann, die sich addiert haben und so in beiden Bestimmungsmethoden für nicht unerhebliche Fehler sorgten.
So ist beispielsweise bekannt, dass es in einigen Regionen, die zur Aufstellung der Dendrochronologie-Theorien benutzt wurden, Perioden gab, aus denen ca. Hölzer von weniger als einer Hand voll Bäumen zu analysieren waren, in anderen Zeiträumen hingegen mehrere hundert Baumfragmente.
Da aber stets das Mittel der Wachstumsschichten möglichst vieler Bäume eines bestimmten Jahres zur Bestimmung herangezogen werden muss, kann der so errechnete Mittelwert deutlich von dem tatsächlichen abweichen.
Weithin anerkannt ist hingegen, dass Radiocarbon-Jahre nicht unbedingt tropischen Jahren entsprechen.
Denn zu unterschiedlichen erdgeschichtlichen Zeiten war die Produktion von 14C-Isotopen unterschiedlich hoch.
Beispielsweise entsprechen 11 Tausend Radiocarbon-Jahren 13 Tausend tropischen Jahren.
In der Radiokarbonmethode spricht man von "Wiggles", wenn man Effekte meint, die das 14C-Alter stören. Unter diesen findet man den DeVries-Effekt, den Süss-Effekt, den Kernwaffen-Effekt, den Fraktionierungseffekt und den Reservoir-Effekt.
Die eigentümliche Beziehung zwischen 14C-Alter und Dendrochronologie wird allgemein mit Schwankungen des 14C/12C-Verhältnisses erklärt.
Buch-Tipp: Das jungsteinzeitliche Dorf Ehrenstein (Kreis Ulm): 2 Tle. Die Beschreibung für das Buch " Das jungsteinzeitliche Dorf Ehrenstein (Kreis Ulm): 2 Tle. " fehlt leider. Weitere informatione finden Sie auf der Seite des Buchhändlers. Klicken Sie dafür auf den Link über diesem Text. Die Seite des Händlers öffnet sich in neuem Fenster. |
Libby- und Cambridge-Halbwertszeit | |
Libbys Team hatte bei der Entwicklung der Radiokarbonmethode für 14C eine Halbwertszeit von 5568±30 Jahren benutzt, die inzwischen als Libby-Halbwertszeit bekannt ist. Später wurde eine genauere Zahl von 5730±40 Jahren gemessen, die Cambridge-Halbwertszeit. Um Verwirrung zu vermeiden, wird in dem Labor allerdings zusätzlich die Libby-Zahl benutzt. Eine unkalibrierte Datierung mit der Libby-Zahl könnte durch Multiplikation mit dem Verhältnis der beiden Zahlen (etwa 1,03) verbessert werden, dies ist aber meist unnötig, da die notwendige Korrektur in modernen Kalibrierkurven bereits enthalten ist.
Siehe auch:
Buch-Tipp: Die Gebeine des Papstes Das Buch " Die Gebeine des Papstes" ist leider ohne Beschreibung. Klicken Sie auf den Link über diesem Text um zu der Seite des Buchhändlers zu gelangen. Beim Klicken ö ffnet sich automatich ein neues Fenster mit dem Entsprechenden Buch. |
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